XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Сушкой называют удаление воды из влажного керамического полуфабриката испарением.

При сушке изменяется от коагуляционных к конденсационным природа контактов между частицами твердой фазы за счет удаления механически и физико-химически связанной воды. Химически связанная вода при сушке не удаляется.

Сушка зависит от параметров окружающей среды (температуры, влажности и скорости движения теплоносителя), формы связи влаги с материалом, состава, структуры, влажности и температуры полуфабриката. Также продолжительность сушки зависит от толщины изделия и не зависит от его плотности и площади поверхности.

Различают кинетику сушки (изменение средних значений влажности и температуры во времени) и ее динамику (изменение влажности и температуры в каждой точке заготовки). Распределение меняющихся во времени полей влажности и температуры в объеме изделия определяет возможность появления опасных напряжений и брака.

Если сушку проводят при малых перепадах температур между полуфабрикатом и средой, малых скоростях и высокой влажности теплоносителя, то влажность полуфабриката медленно уменьшается, а температура повышается до температуры мокрого термометра. Центр заготовки прогревается медленнее, чем поверхность. Это период прогрева полуфабриката.

На втором этапе (период постоянной скорости сушки) влажность заготовки уменьшается по линейному закону при постоянной температуре полуфабриката.

После достижения критической влажности температура поверхности заготовки увеличивается, приближаясь к температуре сухого термометра, скорость сушки падает, а влажность приближается к равновесной. Температура в объеме полуфабриката растет медленнее, чем на поверхности. Этот период называют периодом падающей скорости сушки. Величина критической влажности зависит от скорости сушки, размеров и строения полуфабриката. Равновесная влажность зависит от температуры и влажности в помещении. Обычно отформованные заготовки сушат до влажности 2-3%.

Изменение размеров полуфабриката в сушке характеризуют линейной или объемной усадкой, выраженной в процентах.

Усадка зависит от влажности заготовки и размера частиц твердой фазы. Линейная усадка в сушке заготовок полусухого прессования составляет 2-3%, а заготовок пластического прессования – 6-8%.

Величина усадки также зависит от режима сушки. Наибольшую усадку имеют заготовки, высушенные в равновесных условиях. Чем выше температура и ниже влажность теплоносителя, тем меньше усадка. Рост градиента влажности в объеме заготовки увеличивает разницу между фактической и максимально возможной усадкой. Эта разница (недопущенная усадка) вызывает появление механического напряжения. Если последнее превысит предел прочности материала, то образуется трещина.

Причиной появления трещин в период постоянной скорости сушки является перепад влажности между наружными и внутренними частями заготовки.

В период падающей скорости сушки усадки отсутствуют, поэтому сушку можно интенсифицировать, повысив температуру и скорость движения теплоносителя.

Интенсивность сушки может быть повышена несколькими способами или их комбинацией:

- совмещением направления процессов влагопроводности и термовлагопроводности при увеличении температуры заготовки по сравнению с температурой окружающей среды (теплоносителя);

- увеличением коэффициента влагопроводности путем повышения пористости заготовки и размеров частиц твердой фазы.

- снижением общего давления в сушиле.

Сушку обычно проводят в сушилках различного типа по обычным (40-70 ч) или скоростным (15-40 ч) режимам. Различают по режиму работы сушила периодического и непрерывного действия, а по конструкции - камерные, туннельные, конвейерные и т.д.

Обжиг керамических изделий производят в основном в механизированных туннельных печах либо еще сохранившихся модернизированных кольцевых печах, которые являются весьма экономичными агрегатами, однако требуют затраты ручного труда. Применяют твердое, жидкое и газообразное топливо.

Туннельные печи весьма разнообразны по своей конструкции, размерам, производительности и аппаратурному оснащению. Известны печи длиной до 48, 80, 117 и 157 м., шириной обжигового канала от 2 до 4,7 м, средней производительностью от 8 до 50-60 млн. шт./год. За рубежом созданы печи с шириной канала до 7,5 м (фирма «Серик», Франция) и производительностью до 120 млн. шт. в год.

При обжиге керамических изделий протекают различные физические и химические процессы: выделение механической и адсорбированной влаги; окисление органических примесей; дегидратация глинистых минералов; разложение карбонатов, сульфатов; реакции в твердой фазе с образованием новых соединений; реакции с участием жидкой фазы с образованием после охлаждения стекловидной фазы; полиморфные превращения кварца; спекание массы, сопровождающееся усадкой.

Удаление воды, в том числе межслоевой из монтмориллонитовых глин происходит до 200 ^оС, сопровождается паровыделением, которое может быть причиной образования «сушильных» трещин, что следует учитывать в период досушки обжигаемых керамических изделий.

Горение органических примесей начинается в интервале температур 300-400 ^оС, наиболее интенсивно протекает при 750-800 ^оС. При недостатке воздуха для горения и малой газопроницаемости изделий в них может остаться углерод в виде темной сердцевины. Поэтому в данном периоде необходима окислительная среда (содержание О₂ выше 2%). Потери химически связанной воды происходят при 450-600 ⁰С, при этом восстановительная среда несколько снижает температуру дегидратации. Декарбонизация и разложение других соединений начинается при 650 ⁰С и в основном заканчивается при 900 ^оС.

В легкоплавких глинах жидкая фаза возникает при весьма низких (850-900 ^оС) температурах за счет образования легкоплавких эвтектик, при этом также протекают различные реакции с образованием новых соединений.

С учетом процессов, протекающих в ходе обжига и связанных с выделением газообразных продуктов, изменением объема заготовок и т. п., в режиме печи обжига керамических изделий различают четыре периода: 1) «досушка» (до 200 ^оС) – удаление воды; 2) «на дыму» (200-700 ^оС) – дегидратация, полиморфные превращения β-кварца в α-форму; 3) «взвар» (700-950–1000 ^оС) – протекание основных реакций, спекание; 4) «закал» - охлаждение.

Опасными считаются периоды 650-500 ^оС, когда совершается полиморфный переход (β→α)-кварц, и около 500 ^оС, когда идет отверждение жидкой фазы и появляются внутренние напряжения.

Последней стадией обжига является охлаждение. На этой стадией опасными является возникновение внутренних напряжений в изделиях, появляющихся за счет изменений объема. Такие изменения происходят при изменении объема отдельных фаз с уменьшением температуры, а также при некоторых модификационных превращений с изменением объема, проходящих при охлаждении.

Уменьшить возникающие внутренние напряжения можно путем оптимизации режима охлаждения в отдельных зонах печи, что оказывает особое влияние на характер протекания модификационных превращений. Режим охлаждения определяется не только параметрами полуфабриката, но и размерами и формой керамических изделий. Конструктивные особенности печи также оказывают влияние на скорость сушки.

На все стадии обжига оказывает влияние и среда в печи. Среда в печи считается восстановительной при избытке кислорода до 1%, нейтральной - при избытке кислорода 1,5-2%, окислительной - при избытке кислорода более 2%. Наиболее благоприятной считается восстановительная среда, так как она способствует более равномерному распределению температур в печи и обеспечивает ускорение спекания за счет восстановительных процессов. Особенно сильное влияние восстановительной среды происходит на завершающем этапе обжига.

Поскольку в дымовых газах могут содержаться токсичные компоненты (оксиды серы и азота, монооксид углерода, зола), необходимо уделять внимание охране окружающей среды. Для этого используют приемы дожигания топлива в обжигательном канале, высокие дымовые трубы, впрыск воды или пара в факел горения, что снижает концентрацию оксида азота, рециркуляцию дымовых газов, подачу их к горелкам в качестве первичного воздуха, присадку доломита в топливо для связывания оксидов серы и другие меры.

Список литературы

1. Августинник А.И. Керамика - М.: Промстройиздат, 1957. - 484 с

2. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов / Учебное пособие для вузов. 2-е издание, переработанное и дополненное М.: Металлургия, 1996. – 608 с.

3. Айрапетов Г.А., Безродный О.К., Жолобов А.Л., Жуков А.В. Строительные материалы – М.: Феникс, 2007. – 620 с.

4. Станевич В.Т. Строительная керамика: учебное пособие. – Павлодар, ПГУ им. С. Торайгырова, 2008. – 96 с.

5. Погребенков В.М. Технология тонкой и строительной керамики. Часть 1: учебное пособие. – Томск, ТПУ, 2005. – 109 с.

6. Пивинский Ю.Е. Теоретические аспекты технологии керамики и огнеупоров. Избранные труды. Том 1. – СПб.: Стройиздат СПб, 2003. – 242 с.

7. Горохова, Е.В. Материаловедение и технология керамики. – Мн.: Вышэйшая школа, 2009. – 222 с.

8. Василовская Н.Г., Енджиевская И.Г., Баранова Г.П. и др. Основы технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей: Учебное пособие – Красноярск: Изд-во СФУ, 2016. – 200 с.

9. Гузман И.Я. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов. – М.: Стройматериалы, 2003. – 496 с.: ил.

10. Барабанщиков Ю.Г. Строительные материалы и изделия – М.: ACADEMIA, 2008. – 368 с.